Synthèse des convertisseurs statiques Objectifs de la synthèse Pe pertes Ps CVS Composants jouant le rôle d’interrupteurs électroniques Objectifs de la synthèse des convertisseurs statiques d’énergie : - Déterminer la structure du convertisseur statique - Déterminer les caractéristiques des interrupteurs. Objectifs de la synthèse Pour réussir ce travail, il faut bien entendu: - Posséder un minimum de connaissance sur les interrupteurs statiques - Et il faut savoir caractériser parfaitement les sources d’entrée et de sortie . Etude fonctionnelle des interrupteurs: Les interrupteurs à semi conducteurs ont un fonctionnement basé sur la propriété d’unidirectionnalité en courant et en tension de la jonction PN. L’association de plusieurs jonctions permet de multiplier leurs possibilités. Dans tous les cas, un interrupteur est susceptible de présenter deux états stables en régime statique. -L’état passant (ON): l’interrupteur est dit conducteur , (amorcé), fermé -L’état bloqué (bloqué), désamorcé, ouvert, non conducteur. Le passage d’un état à l’autre, (le « basculement » de l’interrupteur), implique un fonctionnement transitoire en régime dynamique, fonctionnement complexe car il dépend d’une part des conditions imposées par le circuit extérieur et d’autre part de la manière dont on peut agir sur sa structure interne (par l’intermédiaire d’un circuit de commande) pour forcer son basculement. Etude fonctionnelle des interrupteurs: Régime statique: En régime statique, l’interrupteur se comporte comme une résistance non linéaire, très faible à l’état passant, très élevée à l’état bloqué. Considéré comme un dipôle avec des conventions récepteur, sa caractéristique statique Ik(Vk) qui représente l’ensemble des points de fonctionnement de l’interrupteur, comporte deux branches situées entièrement dans les deux quadrants tels que Vk*Ik>0. Ik Ik Vk Vk Etude fonctionnelle des interrupteurs: Régime statique: Si l’on idéalise l’interrupteur, on peut confondre la caractéristique statique avec les deux demi- axes dont elle est voisine. Tout interrupteur qui assure véritablement sa fonction a une caractéristique qui comporte au moins deux demi axes( ou segments ) orthogonaux. La caractéristique statique, qui est une propriété intrinsèque de l’interrupteur, peut dans le cas des interrupteurs à semiconducteurs, se réduire à un certain nombre de segments du plan Ik(Vk). Etude fonctionnelle des interrupteurs: Modèle et convention d’un interrupteur idéal vK iK fermé iK Caractéristiques statiques IK(VK) iK vK vK iK ouvert vK On distingue les interrupteurs en fonction de leur caractéristique statique IK(VK) : - 2 segments; - 3 segments; - 4 segments. 0 Etude fonctionnelle des interrupteurs: Caractéristiques statiques IK(VK) à 2 segments : vK vK iK vK vK iK iK Transistor IGBT Uni directionnalité en tension et en courant. Diodes iK Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments : Bidirectionnel en tension : vK vK iK iK Thyristor Bidirectionnalité en tension. Unidirectionnalité en courant. iK vK Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 3 segments : Bidirectionnel en courant : vK vK iK iK Transistor MOS Bidirectionnalité en courant. Unidirectionnalité en tension. vK iK Etude des interrupteurs Caractéristiques statiques IK(VK) à 4 segments : Bidirectionnalité en courant et en tension. vK iK Régime dynamique- Mode de commutations Caractéristiques dynamiques iK - Passage de l’état ouvert à l’état fermé amorçage W>0 W<0 vK Énergie dissipée pendant la commutation : 0 W>0 - Passage de l’état fermé à l’état ouvert blocage W<0 W Tcom vk (t)iK (t)dt L’énergie dissipée pendant une commutation ne peut être que positive. Ce trajet du point de fonctionnement ne peut se faire que dans les quadrants tels que Vk*Ik>0 W>0 Commutation commandée W=0 Commutation naturelle La commutation commandée d’un interrupteur. L’interrupteur possède, en plus de ses deux électrodes principales, une électrode de commande sur laquelle il est possible d’agir pour provoquer son changement d’état de manière quasi instantanée. Pratiquement , cette électrode permet de modifier brusquement la structure interne de l’élément et par suite de faire passer sa résistance d’une valeur très faible (≈0) à une valeur très élevée (≈ ∞) ou inversement. La caractéristique dynamique devant correspondre à une variation continue de résistance, donc à un rapport Vk/Ik en permanence positif, on passe d’un point de fonctionnement statique situé sur demi-axe à un autre point de fonctionnement situé sur le demi –axe perpendiculaire de même signe que le précédent. Ik Ik Vk Vk Blocage commandé Amorçage commandé La commutation commandée d’un interrupteur. Si les points de fonctionnement statique imposés par la séquence précédant la commutation et la séquence suivante se trouvent sur deux demi- axes de même signes, cette commutation ne peut être que commandée. La commutation spontanée d’un interrupteur. Elle est identifiable dans son principe à celle d’une simple jonction PN (diode). Elle ne dépend que du circuit électrique extérieur: l’élément commute naturellement lorsque le point de fonctionnement , se déplaçant sur la caractéristique statique, passe par zéro. - Le blocage spontané s’effectue au passage par zéro du courant Ik - L’amorçage spontané s’effectue au passage par zéro de la tension Vk Ik Ik Vk 0 Amorçage spontané Vk 0 blocage spontané La commutation spontanée d’un interrupteur. Si les points de fonctionnement statique imposés par la séquence précédant la commutation et la séquence suivante se trouvent sur deux demi- axes de signes contraire, cette commutation ne peut être que spontanée. Ce mode de commutation s’effectue avec un minimum de pertes joule puisque le point de fonctionnement ne quitte pas les axes. Cycle de fonctionnement d’un interrupteur. Pour caractériser complètement un interrupteur, il faut donc connaitre d’une part sa caractéristique statique et d’autre part ses modes de commutations à l’amorçage et au blocage. L’analyse des séquences élémentaires successives de fonctionnement d’un convertisseur permet de connaitre la caractéristique statique de l’interrupteur . Au cours d’une période, son point de fonctionnement (Vk,Ik) décrit un cycle. entre les commutations, il se déplace sur un axe. A chaque commutation, il saute d’un demi axe de la caractéristique statique à un demi axe voisin. Les modes de commutation correspondants se déduisent alors de ses positions initiales et finales. Interrupteurs existants iK vK iK vK iK vK 0 0 IGBT DIODE iK vK iK iK vK vK iK vK 0 0 THYRISTOR iK vK MOS Classification des interrupteurs. Les interrupteurs utilisés dans les convertisseurs statiques peuvent être classés en fonction de leurs caractéristiques statiques à deux, trois ou quatre segments et de la nature de leurs commutations, à l’amorçage ou au blocage, commandée ou spontanée. On rappelle qu’une commutation commandée ne peut se produire que dans les quadrants 1 et 3. tandis qu’une commutation spontanée ne peut se produire que dans les quadrants 2 et 4. Interrupteurs à deux segments. Mis à part le court circuit et le circuit ouvert, on distingue deux interrupteurs dont les caractéristiques statiques possèdent deux segments orthogonaux. Ik Ik Vk Vk -Le premier de ces interrupteurs a la caractéristique statique de l’interrupteur D et ses commutations d’amorçage et de blocage sont spontanées. C’est la diode - le second de ces interrupteurs a la caractéristique statique de l’interrupteur T et ses commutations d’amorçage et de blocage sont commandées, c’est le Transistor (et ses dérivées) Interrupteurs à trois segments. Ces interrupteurs se répartissent en deux groupes suivant qu’ils sont bidirectionnels en courant et unidirectionnels en tension, ou bidirectionnels en tension et unidirectionnels en courant Caractéristiques dynamiques d’interrupteurs 3 segments bidirectionnels en courant Ik Vk Amorçage commandé Blocage spontané Interrupteurs à trois segments. Caractéristiques dynamiques d’interrupteurs 3 segments bidirectionnels en tension Ik Vk Amorçage commandé Blocage spontané Interrupteurs à quatre segments. Tous les interrupteurs à quatre segments possèdent la même caractéristique statique. Ils ne différent que par leur modes de commutation qui peuvent être à priori, différents dans les quadrants 1 et 3. Ces interrupteurs sont essentiellement utilisés dans les changeurs directs de fréquence, et sont pratiquement constitués de deux interrupteurs trois segments en série ou en parallèle. Caractérisation des sources Source de tension- source de courant Lorsqu’on désire faire la synthèse d’un convertisseur, les seuls éléments connus sont les sources d’entrée et les sources de sortie. La première étape consiste donc à caractériser ces sources. Définitions: La définition classique de ces deux types de sources est la suivante: « une source est dite de tension quand elle est capable d’imposer une tension quel que soit le courant de charge ». « une source est dite de courant quand elle est capable d’imposer un courant quelle que soit la charge ». Caractérisation des sources Cette caractérisation correspond à une propriété permanente. Le fonctionnement des convertisseurs statiques, en raison de la présence d’interrupteurs, provoque des variations instantanées de certaines grandeurs. Il est donc naturel de chercher à généraliser ces définitions à des sources qui possèdent ces propriétés, non plus de façon permanente, mais de façon instantanée. Caractérisation des sources Cela conduit à la définition suivante que nous utiliserons par la suite: « une source est dite de tension quand la tension à ses bornes ne peut pas subir de discontinuité du fait de la variation de la charge ». « une source est dite de courant quand le courant qui la traverse ne peut pas subir de discontinuité du fait de la variation de la charge. » On notera cependant qu’un générateur de tension (resp de crt) rectangulaire est bien une source de tension (resp de crt) car les discontinuités de tension (resp de crt) ne sont pas le fait de la charge. Pour mieux préciser cette notion, il est commode d’utiliser la notion d’impédance instantanée. l’impédance instantanée est la limite pour p tendant vers l’infini de l’impédance symbolique Z(p) Caractérisation des sources « une source de tension a une impédance instantanée nulle». « une source est dite de courant a une impédance instantanée infinie. » Exemples: a) Condensateur: Z(p)=(1/Cp)=0 pour p tendant vers l’infini. Un condensateur a une impédance instantanée nulle. C’est donc bien une source de tension. b) Inductance: Z(p)=Lp=∞ pour p tendant vers l’infini. Une inductance a une impédance instantanée Infinie, c’est bien une source de courant. Caractérisation des sources Exemples: c) Cas d’une batterie d’accumulateurs (supposés bien chargés) Est-ce une source de tension ou une source de courant? Caractérisation des sources Exemples: c) Cas d’une batterie d’accumulateurs (supposés bien chargés) Est-ce une source de tension ou une source de courant? Pour répondre à cette question, il faut analyser les conditions d’utilisation de cette Batterie. Supposons qu’elle alimente une charge par l’intermédiaire d’un interrupteur T. le courant dans la charge est par exemple de 10A, le temps d’ouverture de T est de 100ns et la longueur des câbles de 1 mètre ( inductance moyenne d’un fil: 1microHenry par mètre). À l’ouverture de T, calculer la tension aux bornes de la bobine. il est clair que pour cette application (qui correspond à un fonctionnement discontinu), à cause des câbles de liaison, la charge ne peut pas être considérée comme alimentée par une source de tension. Si l’on a des câbles de liaison plus courts (10cm) et un interrupteur moins rapide (1us), est ce qu’on peut considérer la batterie comme source de tension? la surtension n’est que de 1V. Dans ces conditions, si la batterie a une f.e.m de qlq 10 de V, on pourra la considérer comme source de tension. Caractérisation des sources d) Génératrice à courant continue: La génératrice à courant continu est considérée par l’électrotechnicien comme source de tension. Pour le concepteur de convertisseurs, elle doit être considérée comme une source de courant en raison de l’inductance de son induit. Cependant, associée à un condensateur en parallèle, elle pourra alors être considérée comme une source de tension. NATURE DES SOURCES NATURE DES SOURCES : - Sources de tension ou courant continu; - Sources de tension ou courant alternatif. Source d’entrée CVS Source de sortie REVERSIBILITE DES SOURCES : - Une source est dite réversible si la puissance fournie par celle-ci peut être positive ou négative. Exemple de réversibilité d’une source : Batterie d’accumulateur : générateur en décharge et récepteur en charge Machine à courant continu : récepteur en fonctionnement normal et générateur en mode freinage. Règles d’interconnexion des sources Au cours de son fonctionnement, le convertisseur statique connecte par l’intermédiaire de ses interrupteurs les sources entre lesquelles il assure et contrôle l’échange d’énergie. Pour que ces liaisons puissent se faire, un certain nombre de règles sont à respecter impérativement. 1- une source de tension ne doit jamais être court- circuitée mais elle peut être ouverte 2- le circuit d’une source de courant ne doit jamais être ouvert, mais il peut être courtcircuité. 3- il ne faut jamais connecter entre elles deux sources de même nature, 4- on ne peut connecter entre elles qu’une source de courant et une source de tension. Nature des sources REVERSIBILITE DES CONVERTISSEURS STATIQUES : - Un convertisseur statique est dit réversible si le transfert de puissance peut se réaliser dans les 2 sens. Source d’entrée CVS Sens de transfert de puissance Source de sortie L’interdiction de connecter deux sources de même nature nous amène à distinguer deux configuration de base: -La configuration à liaison directe lorsque les sources sont de nature différente; c’est à partir d’elle que l’on déduira la structure de tous les convertisseurs directs. - Les configurations à liaison indirecte lorsque les sources sont de même nature; c’est à partir d’elles que l’on déduira la structure de tous les convertisseurs indirects. Structures des convertisseurs La structure des convertisseurs dépend de : - La nature des sources d’entrée et de sortie (tension ou courant); - Le type de sources d’entrée et de sortie (polyphasé). On parle alors de : - convertisseurs statiques directs; Tension → Courant Courant → Tension - convertisseurs statiques indirects Tension → Tension Courant → Courant Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Tension - Courant : Problème: La source d’entrée est une source de tension, la source de sortie est une source de courant. Quelles sont les différentes possibilités d’interconnexion directe de ces deux sources et quelle est la structure qui permet de réaliser toutes ces interconnexions? Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Tension - Courant : Structure du convertisseur direct Tension - Courant : Possibilité d’interconnexion de ces sources : K1=K4=1 K2=K3=1 P=Ve.Is P= -Ve.Is K1=K3=1 ou K2=K4=1 P=0 Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Tension / Courant : K1=K4=1 p(t)=Ve.Is K1=K3=1 ou K2=K4=1 P=0 K2=K3=1 p(t)= -Ve.Is P p(t ) p(t) T t 0 t1 t 1 P p(t )dt VeIs. 1 VeIs. T 0 T T T 1 VeIs P p (t )dt . t 1 (T t1 ) VeIs. 2 1 T 0 T Convertisseurs directs Convertisseur statique DIRECT Courant / Tension : Possibilité d’interconnexion de ces sources : K1=K4=1 K2=K3=1 P=Ve.Is P= -Ve.Is Structure du convertisseur direct Courant -Tension : K1=K2=1 ou K3=K4=1 P=0 Convertisseurs indirects Convertisseurs statiques INDIRECT 3 solutions envisageables : - En modifiant la nature des sources et utilisant des convertisseurs statiques DIRECT; - Par utilisation d’un étage tampon; - En utilisant des convertisseurs statiques INDIRECT. Pour la première solution, il faut utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active. Soit donc, des inductances ou des condensateurs. Leur rôle est de modifier la nature des sources d’entrée ou de sortie. Il est donc possible d’utiliser les structures des convertisseurs statiques DIRECT. Convertisseurs indirects SOURCE DE TENSION VS SOURCE DE COURANT L i uL=L.di/dt=E-v v E di/dt=(E-v)/L Si L grand alors : di/dt=0 soit i = constante i I iC iC=C.dv/dt=I-i dv/dt=(I-i)/C v C Si C grand alors : dv/dt=0 soit v= constante Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT par modification de la nature des sources Structure du CVS indirect Tension / Tension Structure du CVS indirect Courant / Courant Convertisseurs indirects Pour la seconde solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active. Leur rôle est de créer un étage tampon. On utilisera alors 2 convertisseurs statiques DIRECT. TRES PEU UTILISE, EN RAISON DU RENDEMENT FAIBLE, ET DU NOMBRE DE COMPOSANTS. Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT Pour la troisième solution, il faut aussi utiliser un composant supplémentaire qui ne dissipe pas de puissance active. Leur rôle est de créer un étage d’accumulation d’énergie. On stockera de l’énergie électrique dans une inductance ou dans un condensateur. Après une phase de stockage de l’énergie électrique dans l’inductance ou le condensateur, cette énergie sera fournie à la source de sortie. Convertisseur statique INDIRECT TENSION / TENSION : - Stockage dans une INDUCTANCE Convertisseur statique INDIRECT COURANT / COURANT : - Stockage dans un CONDENSATEUR Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT Tension / Tension Possibilité d’interconnexion de ces sources : K5=1 K5=0 K5=0 K1=K2=K3=K4=0 K1=K4=1 K2=K3=1 Structure des CVS INDIRECT Tension / Tension : Convertisseurs indirects Convertisseur statique INDIRECT Courant / Courant Possibilité d’interconnexion de ces sources : K1=K2=K3=1 K5=K1=K4=1 K5=K2=K3=1 K4=K5=0 K2=K3=0 K1=K4=0 Structure des CVS INDIRECT Courant / Courant : Hacheur série Vélo à assistance au pédalage i>0 E v>0 CVS batterie MCC Structure Choix des interrupteurs iK1 vK1 E K1 iK2 vK2 K2 T K2 T vK2 vK1 I Commande des interrupteurs K1 iK2 iK1 0 0 v IGBT DIODE Onduleur Barrière CVS Tension redressée filtrée Structure Commande des interrupteurs Courant alternatif K1 K3 MAS K1 K5 K2 K4 K5 E K6 2p/3 K2 K4 K6 i< >0 iK OU UN TRANSISTOR MOS K5 2p Choix des interrupteurs vK 0 K4 K3 IGBT + DIODE METHODE DE SYNTHESE Etape 1 : Identifier la nature des sources d’entrée et de sortie. En déduire la structure de base du convertisseur statique. Etape 2 : Déduire du cahier des charges les réversibilités en tension et en courant des sources d’entrée et de sortie. Etape 3 : Identifier sur la structure de base, les séquences de fonctionnement nécessaires, compte tenu des réversibilités souhaitées et des contrôles d’énergie souhaitée. Effectuer les simplifications si nécessaire. En déduire le montage de base du convertisseur statique. Etape 4 : Pour les différentes séquences déterminées à l’étape 3, observer le sens du courant dans les interrupteurs passants, et le signe de la tension à leurs bornes lorsque ceux-ci sont bloqués. En déduire la caractéristique iK=f(vK) de chaque interrupteur. Etape 5 : Déduire d’une étude approfondie du cahier des charges, l’enchaînement des séquences déterminées à l’étape 3 afin d’obtenir les formes d’ondes des signaux de sortie désirées. En déduire le type de commutation dynamique. (commandée ou spontanée) Etape 6 : Connaissant les caractéristiques statiques et dynamiques des interrupteurs, on peut déterminer les types d’interrupteurs à utiliser. EXEMPLE DE SYNTHESE CAHIER DES CHARGES : On désire alimenter à partir d’une batterie d’accumulateurs, une machine à courant continu fonctionnant en moteur sans aucune réversibilité. Ce moteur devra être alimenté sous tension moyenne variable, afin de faire varier sa vitesse, pour cela, on utilisera un convertisseur statique. Dans le but de faire varier la vitesse de rotation du moteur à courant continu, la valeur moyenne de la tension de sortie devra être variable de 0 à E. Umoteur E αT T temps EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 1 : Caractérisation des sources d’entrée – sortie L’entrée est une source de tension continue (résistance interne négligée), et la sortie est une source de courant continu (présence d’une inductance (bobinage)). Étape 2 : Réversibilité des sources d’entrée – sortie L’entrée est une source de tension réversible en courant (I positif = décharge; I négatif = recharge) et la sortie est une source de courant réversible en courant et en tension. Cependant, aucune réversibilité n’est nécessaire d’après le cahier des charges. Étape 3 : Structure de base du CVS Convertisseur statique direct tension / courant E K1 K3 K2 K4 EXEMPLE DE SYNTHESE Combinaisons possibles d’interconnexion des sources Transfert de puissance Entrée → Sortie Transfert de puissance Sortie → Entrée Phase de roue libre Modification et simplification de la structure de base du CVS K1 E K2 K4 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 4 : Détermination des caractéristiques statiques des interrupteurs K1 E vK1 iK1 vK2 K2 I E K4 vK4 iK2 iK4 vK1 vK2 iK1 I K2 iK2 vK4 K4 iK4 iK4 iK2 iK1 K1 vK2 vK1 vK4 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 5 : Détermination des caractéristiques dynamiques des interrupteurs K1 E vK1 iK1 vK2 K2 I E K4 vK4 iK2 vK1 vK2 iK4 K1 iK1 I K2 vK4 iK2 K4 iK4 2) 1) Enchaînement 1) 2) 1) 2) ..pour moduler le transfert de puissance, et donc la vitesse iK2 iK1 iK4 1) vK2 1) 1) 2) 2) vK1 2) vK4 EXEMPLE DE SYNTHESE Étape 6 : Détermination des interrupteurs iK2 iK1 iK4 1) vK2 1) 1) 2) 2) vK4 vK1 2) Interrupteur statique à 2 segments Interrupteur statique à 2 segments Amorçage et blocage commandés Amorçage et blocage spontanés (naturels) TRANSISTOR IGBT DIODES EN INVERSE vK2 vK1 iK1 iK2 Interrupteur statique à 1 segments FIL EXEMPLE DE SYNTHESE Structure du convertisseur statique nécessaire EXEMPLE 2 CAHIER DES CHARGES : Avec une batterie d’accumulateurs, on veut alimenter une machine à courant continu sous tension variable. Cette machine est à excitation indépendante, elle devra fonctionner en moteur et en génératrice pour le même sens de la vitesse de rotation. On notera que pour assurer le freinage, on choisit de ne pas toucher à l’inducteur mais d’inverser le courant d’induit. Problème: trouver la structure du convertisseur. CLASSIFICATION DES INTERRUPTEURS ET DOMAINES D’UTILISATION
